处理线张力控制概述

蒋晓亮　何勤国　陈武勤

摘要：工业自动化控制系统中张力控制是一个很重要也很普遍的控制环节，针对不同的工艺要求及设备要求有不同的张力控制方法。大型工业控制主要采用PLC控制，本文整理和归纳一些常用的PLC系统进行张力控制方法。

关键词：光纤拉丝张力；转矩控制；张力开环；张力闭环

前言

在高速线材或者板材生产过程中为保证产品有合适的尺寸及强度需要有合适的张力，特别是在光纤拉丝生产线中，光纤拉丝张力是对最后玻璃纤维性质起重大作用的关键因素之一。光纤拉丝张力对光纤轴向应力、拉丝诱导缺陷、光损耗、强度、折射率分布、截止波长、瑞利散射系数等性能都有影响。光纤生产线张力控制和冶金处理线张力控制有着一定的相似性，因此对冶金处理线张力控制进行介绍并从中选择合适的张力控制方法应用于光纤拉丝张力控制。张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定，由于冶金处理线属于大张力大惯量系统因此往往采用矢量变频器配合同步或异步电机控制通过两种途径达到目的：一种通过控制电机的转速来实现；另一种是通过控制电机输出转矩来实现。

1速度模式下的张力闭环控制

速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。

同步匹配频率指令的公式如下：

f = （V×p×i）/（π×D）

其中：f为变频器同步匹配频率指令，V为材料线速度，P为电机极对数（变频器根据电机参数自动获得）。i为机械传动比。D为卷筒的卷径。

变频器的品牌不同，设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样，在此不一一列举。

这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定。否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，當材料的机械性能出现波动，就会出现轧机轧不动等不正常情况。

2转矩模式下的张力控制

转矩模式下的张力控制有两种方式，一种是转矩模式下的张力开环控制，另一种是转矩模式下的张力闭环控制。

2.1转矩模式下的张力开环控制

在这种模式下，无需张力检测反馈装置，就可以获得更为稳定的张力控制效果，结构简洁，效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式，必须安装测速电机或编码器，以便对电机的转速做精确测量反馈。转矩的计算公式如下：

M = （F×D）/（2×i）

其中：T为变频器输出转矩指令，F为张力设定指令，i为机械传动比，D为卷筒的卷径。

电机的转矩被计算出来后，用来控制变频器的电流环，这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合，如脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这种控制模式。

2.2转矩模式下的张力闭环控制

张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节，调整变频器输出转矩指令，这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式，在系统加、减速的过程中，需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿，将出现收卷过程加速时张力偏小，减速时张力偏大，放卷过程加速时张力偏大。减速时张力偏小的现象。

3卷径计算

在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径，大家知道，在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小，卷取机的卷径在不断变大。也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化，才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径：一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器，一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得，矢量控制裂变频器都具有卷径计算功能，在大多数的应用中都是通过变频器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。变频器自己计算卷径的方法有以下三种。

3.1速度计算法

通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。

其公式如下：

D=（i×V）/（π×n）

式中：D为所求卷径，i为机械传动比，n为电机转速，V为线速度。

当系统运行速度较低时。材料线速度和变频器输出频率都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要设定一个最低线速度，当材料线速度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。

3.2角度积分法

根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，对于线材还需设定每层的圈数。

这种方法计算要求输入材料厚度，若厚度是固定不变的。可以在变频器中没定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。

若厚度是需要经常变化的，需要通过人机界面HMI或智能仪表将厚度信号传送到PLC。由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径。

3.3模拟量输入

当选用外部卷径传感器时，卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。

4 光纤拉丝系统张力控制

冶金自动化和光纤生产自动化有着一定的相似性，同时由于加工产品的不同、控制对象的不同针对不同的控制精度和控制速度又有不同的具体手段。光纤拉丝过程牵引电机需要在高转速下进行稳定的速度控制，同时从数米高的拉丝塔上光纤垂直落下其所承受的张力由光纤重力和牵引轮共同作用得到，其过程较为复杂。由于牵引轮既提供光纤拉丝的动力又要和收线筒共同作用保证光纤生产的张力。

光纤生产过程中的张力调整装置主要是通过舞蹈轮的位置来控制恒定的收线张力。与舞蹈轮联动的电位器检出舞蹈轮实时的位置并将其以电压形式反馈给PLC控制器，当舞蹈轮位置与设定位置发生偏转时控制器将差值给比例、积分、微分控制器，运算后输出控制电压，控制收线电机改变转速，使舞蹈轮始终处于设定位置保证张力恒定。

5 结论

针对不同系统可采用不同的张力控制方法，一般来说受控制精度的影响在如冶金行业中普遍所需张力较大生产速度不是很高可采用矢量变频控制直接对电机转矩进行控制从而保证目标张力恒定，而对于光纤拉丝工艺中所需张力较小而生产速度较高一般则采用伺服控制通过对电机转速进行调整间接控制生产张力。

参考资料：

1. 胡先志《光纤与光缆技术（电子书）》电子工业出版社 ISBN：9787121035913

2. 天津电气传动设计研究所 《电气传动自动化技术手册（第3版）》机械工业出版社 2011-5-1 ISBN：9787111339892

3. 陈炳炎《光纤光缆的设计和制造》浙江大学出版社 2011-6-1ISBN：9787308032346

作者简介：蒋晓亮（1981.04-），男，汉，江苏南京人，职称：工程师，研究方向：电气自动化控制